陜西靖邊花豹灣聚湫壩地土壤微生物群落結構特征及其影響因子①

闞　尚，李福春*，田智宇，金章東，肖　軍

（1 南京農業大學資源與環境科學學院，南京　210095；2 中國科學院地球環境研究所，西安　710061）

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陜西靖邊花豹灣聚湫壩地土壤微生物群落結構特征及其影響因子①

闞尚1，李福春1*，田智宇1，金章東2，肖軍2

（1 南京農業大學資源與環境科學學院，南京210095；2 中國科學院地球環境研究所，西安710061）

摘要：以黃土高原天然形成的花豹灣聚湫為研究對象，系統分析了3個剖面中土壤的機械組成、有機碳（SOC）、全氮（TN）、微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN），并利用磷脂脂肪酸法（PLFA）測定了土壤中細菌、真菌和放線菌的數量，重點討論了微生物數量和群落結構與碳、氮含量及機械組成之間的相關性。結果表明：①砂粒含量沿著壩尾-壩前的方向有逐漸降低的趨勢，粉砂粒和黏粒含量則有逐漸升高的趨勢，在垂直方向上可劃分出 5個明顯的沉積旋回（深度分別為0 ～ 40、50 ～ 60、70 ～ 80、100 ～ 120和240 ～ 260 cm）；②聚湫壩地土壤微生物主要含有脂肪酸（15：0 iso、18：1 w9c、18：1 w7c、16：0 10-methyl），約占PLFA總量的54%，土壤微生物以細菌為主，約占65% ～ 75%，放線菌約占15% ～ 25%，真菌約占5% ～ 10%；③3種多樣性指數的變化趨勢基本一致，依次為A剖面＞B剖面＞C剖面，3個剖面的土壤微生物群落結構存在比較明顯的差異，其中A剖面分化明顯；④土壤微生物總量、細菌數量和真菌數量與土壤中粉粒和黏粒含量以及MBC、MBN、SOC和TN均呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）的正相關關系；⑤土壤中細顆粒組分可能是影響微生物數量和群落結構的主要因子。

關鍵詞：花豹灣聚湫；微生物；群落結構；磷脂脂肪酸；土壤剖面

土壤微生物是土壤有機質中最活躍和最易變化的部分，被認為是土壤生態系統演替的預警及敏感指標［1］。土壤微生物種類和數量有可能響應土壤生態環境所發生的變化［2］，并在一定程度上影響土壤養分的利用和循環［3］。因此，研究黃土高原土壤微生物數量及其群落結構特征對于進一步了解黃土高原生態環境變化具有重要意義。

在黃河中游黃土陡崖深溝地帶，地震或重力等作用常造成巨量塌方。若坍塌下來的黃土閘住山溝、攔住泥水，則形成天然攔泥壩，稱為“聚湫”，其攔截泥沙淤積而成的平地稱為壩地［4］。與天然聚湫相對應的概念是人工淤地壩。修筑淤地壩的主要目的是淤地造田。20 世紀 60 年代以來， 勞動人民在黃土高原上修建了眾多的淤地壩。截至 2002 年，黃土高原已建成淤地壩 11 萬余座，淤成壩地 30 多萬 hm2，可攔蓄泥沙 210 億 m3。有文獻可考的最早的人工淤地壩修建于明代萬歷年間（公元 1573—1619年）［5］。聚湫和淤地壩在控制黃土高原水土流失、減少入黃泥沙和糧食增產等方面都具有十分重要的意義［6］。同時，聚湫和淤地壩土壤/沉積物中還蘊藏著豐富的環境變化信息。有些聚湫已歷時很長，例如陜西省子洲縣裴家灣鎮黃土洼村的聚湫形成于公元 1569年［5］，距今已有 445 年。可見，聚湫是研究土壤微生物數量和群落結構演變的理想對象。但是，在長期的自然過程和人類活動影響下，大多數聚湫僅幸存了部分壩體和淤積物質，甚至蕩然無存，完整保留下來的聚湫則十分有限［7］。因此，相關研究工作主要針對歷史較短的人工淤地壩而進行。目前，在研究淤地壩的過程中，研究者往往側重于壩地的沉積旋回規律、泥沙來源、水分和養分狀況等方面［8-10］，較少關注壩地土壤微生物特征及其與土壤理化性質之間的關系。

磷脂脂肪酸（PLFA）是微生物細胞膜的重要組成部分。微生物細胞死亡后，PLFA能夠快速降解。不同微生物PLFA 的碳原子數目、雙鍵位置和異構性等具有特異性。因此，PLFA不僅可以用來表征活的微生物數量，而且還可以提供微生物群落結構方面的信息［11］。目前，PLFA法已發展成為一種快速、可靠和經濟的土壤微生物的分析方法。根據歷史記載［12］，我們在陜西省靖邊縣找到了距今已有 150多年的天然聚湫——花豹灣聚湫并采集了樣品，測定了土壤的基本理化性質，重點利用 PLFA法研究了該聚湫壩地土壤的微生物群落結構。本文通過討論土壤微生物數量和群落結構特征及其與土壤的主要物理化學指標的相關性，試圖闡明微生物數量和群落結構的主要控制因子，為黃土高原的生態環境變化研究提供科學依據。

1　材料與方法

1.1花豹灣聚湫概況及樣品采集

花豹灣位于陜西省榆林市靖邊縣新城鄉境內。新城鄉位于靖邊縣南部山區，地處白于山區腹地、無定河的源頭，屬典型的黃土丘陵溝壑區。靖邊縣四季變化明顯，年均氣溫7.8℃，年均降水量395 mm，無霜期130天，屬半干旱內陸季風氣候。花豹灣聚湫位于108°36′E，37°18′N，形成于公元1851—1861年，距今已有150多年。聚湫壩高67 m，淤成壩地20 hm2，壩地內的土壤為黃綿土［12］。我們以200 m間隔在壩前、壩中和壩尾各挖掘一個3 m深的剖面，分別稱為A、B和C剖面（圖1）。在0 ～ 1.00 m區段，按10 cm間隔采樣；從1.00 m到3.00 m區段，按20 cm間隔采樣，即每個剖面采集20個樣品。采樣時（2013年5月）當季玉米剛剛播種。

1.2測定方法

利用重鉻酸鉀外加熱法和凱氏定氮法分別測定土壤有機碳（SOC）和全氮（TN）。利用沉降-虹吸法測定土壤機械組成［13］。采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測定土壤微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）［14］。采用修正的Bligh-Dyer方法測定PLFA［15］，主要過程為：通過提取脂-過柱純化-甲基化3個步驟將土壤中的脂肪酸提取出來，用Agilent 6890氣相色譜儀進行測定。該方法以酯化C19： 0為內標，單個的脂肪酸種類用nmol/g干土表示，每種脂肪酸的濃度基于碳內標 19： 0 的濃度來計算［16］。運用 SPSS Statistics 20系統軟件對數據進行統計分析，運用Canoco 5.0軟件制圖。

圖1　花豹灣聚湫剖面位置示意圖Fig. 1　Location sketch of the profiles in Huabaowan landslide reservoir

2　結果與討論

2.1土壤機械組成的分布規律

測定結果顯示，3個剖面的土壤均以砂粒為主，粉砂粒為次，黏粒含量均最低（圖2）。對比3個剖面可以發現，砂粒的平均含量表現為：A剖面（平均含量508.9 g/kg）＜B剖面（589.9 g/kg）＜C剖面（599.8 g/kg），而黏粒和粉砂粒則剛好相反，即A剖面（平均含量分別為43.5和439.8 g/kg）＞B剖面（32.2和363.2 g/kg）＞C剖面（20.2和229.1 g/kg）。出現這種現象的原因可能是：當徑流到達聚湫壩后，所攜帶的泥沙先后沉積，在重力作用下，粗顆粒運移距離較短，在壩的中尾部沉積，而細顆粒可遷移至壩前。于是，在壩尾-壩前的水平方向上形成了砂粒含量逐漸降低、粉砂粒和黏粒逐漸升高的趨勢［17］。

圖2　土壤機械組成的垂直分布圖Fig. 2　Vertical distributions of the mechanical compositions in the soils

每次洪水被淤地壩阻攔時，顆粒物在重力作用下發生沉降作用：粗顆粒先沉降，形成一個粗顆粒層；之后，中、細顆粒相繼沉降，形成一個相對較細的顆粒層。研究發現，在淤地壩常見一種特殊的土層結構“凍豆腐層”［8］。這種土層結構的特點是孔隙度、毛細孔隙比例和含水量均較高。一個粗顆粒層和一個細顆粒層構成一個旋回，代表發生了一次洪水泛濫事件。借鑒上述研究成果，我們可以在花豹灣聚湫壩地土壤的機械組成垂直分布圖上勾畫出5個沉積旋回，其對應的土層深度分別為：0 ～ 40、50 ～ 60、70 ～ 80、100 ～ 120和240 ～260 cm（圖2）。這可能說明，花豹灣聚湫所在位置在150多年以來曾經發生過5次較大的洪水泛濫事件。

2.2土壤有機碳和全氮含量的垂直分布規律

土壤有機碳（SOC）在花豹灣剖面中的分布規律與其他土壤剖面一樣，即在表層含量最高（在 A、B 和C剖面中的最高值分別為2.61、2.16和2.02 g/kg）（圖3）。在0 ～ 60 cm范圍內呈現出總體上隨深度的增加而降低的趨勢；在大約210 ～ 260 cm范圍內，SOC出現另一個高值區（最高值略低于表層）。在剖面最上部（大致在0 ～ 60 cm范圍內）存在一個全氮（TN）高值區；在剖面下部，TN含量較低且無明顯的變化。無論是SOC含量還是TN含量，均呈現如下規律：A剖面＞B剖面＞C剖面。

2.3微生物生物量碳、氮及其與機械組成的相關性

盡管土壤微生物生物量碳（MBC）僅占土壤總碳的1% ～ 4%，土壤微生物生物量氮（MBN）也僅占土壤全氮的2% ～ 7%，但它們卻是土壤中最活躍的碳庫和氮庫之一，是土壤肥力的重要指標。因此，研究土壤MBC和MBN是了解土壤響應環境影響的重要手段［18］。從垂直分布來看，MBC和MBN含量均存在兩個大體上一致的高值區。第一個高值區位于剖面最上部（大約在0 ～ 60 cm范圍內）；第二個高值區大約位于220 ～ 240 cm范圍內（圖4）。總體上來看，MBC和MBN含量有如下規律：A剖面＞B剖面＞C剖面。相關性分析結果表明，MBC與砂粒具有極顯著的負相關關系（對于A、B和C剖面，相關性系數r分別為0.56、0.58和0.61，P＜0.01），與粉砂粒（r分別為0.49、0.53和0.52，P＜0.05）和黏粒（r分別為0.49、0.45和0.51，P＜0.05）具有顯著的正相關關系（表1）。

圖3　土壤有機碳和全氮含量的垂直分布圖Fig. 3　Vertical distributions of SOC and TN contents in the soils

　圖4　土壤微生物生物量碳、氮的垂直分布圖Fig. 4　Vertical distributions of MBC and MBN contents in the soils

表1　微生物指標與化學成分、機械組成的相關系數（n = 20）Table 1　Correlation coefficients for microbiological indexes with chemical compositions and mechanical compositions of the soils

2.4微生物數量特征及其與化學成分和機械組成的相關性

PLFA分析結果表明，從3個土壤剖面中共檢測出 17 種 PLFA 生物標記。其中，屬于細菌的生物標記有：15：0 iso、15：0 anteiso、16：0 iso、16：1 w7c、16：1 w6c、17：0 iso、17：0 anteiso、17：1 w8c、16：1 2OH、18：1 w9c、18：1 w7c 和 20：1 w7c；屬于真菌的有 16：1 w5c 和 18：2 w6c；屬于放線菌的有 16：0 10-methyl 和 17：0 10-methyl；其余還有少量原生動物。在花豹灣聚湫壩地土壤的微生物中（表2），細菌占主導地位，約占總量的 65% ～ 75%。真菌和放線菌分別約占 5% ～10% 和 15% ～ 25%。革蘭氏陽性細菌、革蘭氏陰性細菌和放線菌含量在 A 剖面土壤中最高（10.18、32.81、9.61 nmol/g），在 C 剖面土壤中最低（6.13、20.45、6.54 nmol/g）；革蘭氏陽性細菌/革蘭氏陰性細菌比值大小排序為 A 剖面＞C剖面＞B 剖面，真菌/細菌比值大小排序為 A 剖面＞B剖面＞C剖面。

從垂直方向上來看，可將剖面分成 3 個高值區和 3 個低值區共 6 個土層（圖 5）。3 個高值區大致分別位于 0 ～ 50、120 ～ 140 和 220 ～ 260 cm 處，這與 SOC、TN、MBC 和 MBN 的分布大體上一致。從圖 5 還可以看出，土壤微生物數量具有隨著深度增加而降低的趨勢。這可能是因為：隨著深度的增加，土壤養分含量減少，通氣性和水熱條件變差。通過對比可以發現，無論是PLFA總量，還是細菌、真菌、放線菌含量，均具有A剖面＞B剖面＞C剖面的變化規律。

表2　土壤中特征微生物類群 PLFA 總量及其比值Table 2　Total PLFA and the ratio of the characteristics of microorganisms in soils

相關性分析結果表明，微生物總量、細菌數量和真菌數量與砂粒含量呈顯著的負相關關系，與粉砂粒和黏粒呈顯著的正相關關系。它們與MBC、MBN、SOC和TN呈正相關關系，絕大多數達到極顯著水平（表 1）。這充分地說明，土壤機械組成通過影響有機質含量而決定了微生物數量。

圖5　土壤微生物PLFA含量的垂直分布圖Fig. 5　Vertical distributions of soil microbial PLFA contents

2.5微生物群落多樣性指數

利用各物種 PLFA值通過 Shannon、Simpson 和 Pielou多樣性指數模型計算可以得出微生物群落多樣性指數。不同多樣性指數反映了土壤微生物多樣性的不同側面。Magurran［19］指出Shannon指數受群落物種微生物的豐富度影響較大，Simpson指數則反映了微生物群落中最常見的物種，Pielou指數則是微生物群落物種均一性的度量。按圖5的分層方法，我們計算了每個土層的平均 Shannon-Wiener指數、Simpson指數和Pielou指數（表3）。結果表明：①微生物數量高值區的Shannon指數、Simpson指數和Pielou指數基本上都高于其下的低值區；②無論是高值區還是低值區，上述多樣性指數均有隨著深度的增加而減小的趨勢；③在相同的深度處，上述多樣性指數均有A剖面＞B剖面＞C剖面的趨勢。

表3　土壤微生物群落多樣性指數Table 3　Diversity indices of soil microbial communities

2.6微生物群落結構主成分分析

主成分分析結果表明，第一和第二主成分的方差貢獻率分別為 75.6% 和 21.5%，累計貢獻率達到97.1%。這說明，利用這兩個主成分完全可以區分微生物群落結構（圖6）。主成分分析圖顯示，分別代表A、B和C剖面的3個三角形被較明顯地分開（圖6a）。這暗示著 3個剖面的土壤微生物群落結構存在比較明顯的差異。相比而言，代表B剖面和C剖面的兩個三角形較為接近，并與代表 A剖面的三角形分得較開。在主成分分析圖中，剖面和箭頭間的夾角呈銳角時，表示該剖面與箭頭所代表的因子相關性強，且夾角越小表示相關性越強［20］。據此可以判斷，3個剖面總生物量、真菌、細菌、放線菌以及原生動物生物量之間的相關性強弱均為：A剖面＞B剖面＞C剖面（圖 6b）。該順序與黏粒含量的大小順序一致。該結果說明，黏粒組分可能影響著土壤微生物群落結構的分布。

圖6　微生物群落的主成分分析Fig. 6　Principal component analysis of soil microbial communities' PLFAs

3　結論

1） 砂粒含量沿著壩尾、壩中和壩前的方向有逐漸降低的趨勢，粉砂粒和黏粒含量則有逐漸升高的趨勢，在垂直方向上可劃分出5個明顯的沉積旋回（深度分別為0 ～ 40、50 ～ 60、70 ～ 80、100 ～ 120 和240 ～ 260 cm）。

2） 聚湫壩地土壤微生物主要含有脂肪酸（15：0 iso，18：1 w9c，18：1 w7c，16：0 10-methyl），約占PLFA總量的54%。從微生物數量上來看，剖面包括3個高值區（分別位于0 ～ 50、120 ～ 140 和220 ～ 260 cm處）和3個低值區。土壤微生物以細菌為主，約占65% ～ 75%，其次為放線菌和真菌，分別約占15% ～ 25% 和5% ～ 10%。

3） Shannon指數、Simpson指數和Pielou指數的變化趨勢基本一致，均為A剖面＞B剖面＞C剖面。微生物群落結構可能與其數量有關，微生物數量高值區的3種多樣性指數基本上都高于其下的低值區，3個剖面的土壤微生物群落結構存在比較明顯的差異，其中A剖面分化明顯。

4） 土壤微生物總量、細菌數量和真菌數量與土壤中粉粒和黏粒含量以及 SOC和 TN均呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）正相關，而 SOC、TN與MBC、MBN也均呈顯著或極顯著的正相關關系，說明土壤機械組成影響著SOC和TN在土壤中的粒度分布，進而控制微生物數量和群落結構。

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Characteristics and influencing factors of Soil Microbial Community Structure of Huabaowan Landslide Reservoir in Jingbian， Shanxi

KAN Shang1， LI Fuchun1*， TIAN Zhiyu1， JIN Zhangdong2， XIAO Jun2
（1 College of Resources and Environmental Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing210095， China；2 Instiute of Earth Environment， Chinese Academy of Sciences， Xi'an710061， China）

Abstract：The contents of soil mechanical composition， organic carbon （SOC）， total nitrogen （TN）， microbial biomass carbon （MBC）， microbial biomass nitrogen （MBN） of the soils from dam of Huabaowan landslide reservoir were investigated using systemative analysis. The density of bacteria， fungi and actinomycetes in the soils was measured using phospholipid fatty acids （PLFAs）. We focused on the correlations of the density and community structure of microbes with the contents of carbon，nitrogen and mechanical composition of the soils from Huabaowan landslide reservoir which is formed naturally in the Loess Plateau. The results showed that： 1） the contents of sand decreased gradually， however， the contents of silt and the clay increased gradually along the direction from the tail of dam to the front of dam， and it was formed 5 distinct depositional cycles （0-40，50-60， 70-80， 100-120， 240-260 cm） in the vertical direction； 2） soil microbes mainly contained fatty acids （15：0 iso， 18：1 w9c，18：1 w7c， 16：0 10-methyl） in landslide reservoir， which was about 54% of total PLFA. Bacteria was the main composition of the soil microbial community， accounting for 65%-75% of the total PLFA. Actinomycetes accounted for about 15%-25%， and fungi accounted for about 5%-10% of the total PLFA； 3） the changing tendency of diversity indices for the three species was similar，following the order： A profile ＞B profile ＞C profile. There were significant differences of soil microbial community structure among three profiles， and A profile differentiated more obviously than others； 4） the total soil microbes and the density of bacteria and fungi were positively correlated with the contents of silt， clay， MBC， MBN， SOC and TN significantly （P＜0.05）； 5） fine particle components may be the main factor determining the density and community structure of microbes in the soils.

Key words：Huabaowan landslide reservoir； Microbes； Community structure； PLFA； Soil profile

中圖分類號：Q938.1

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.013

基金項目：①中國科學院知識創新工程重大項目（KZZD-EW-04）資助。

* 通訊作者（fchli@njau.edu.cn）

作者簡介：闞尚（1989—），男，安徽宣城人，碩士研究生，主要從事生態恢復方面的研究。E-mail： 2012103024@njau.edu.cn